Transcript BVMT_MIO - hofyland.cz v2.0

Mikrovlnná
integrovaná technika
(M I T)
vázaná
vedení
druhý
dielektrický
substrát
první
dielektrický
substrát
1
Historie vzniku mikrovlnné integrované techniky
 Klasická vlnovodová a koaxiální technika – rozvoj za
2. světové války a po jejím konci při rozvoji radiolokace
Výhody:  vyměnitelnost dílů a pasivních či aktivních obvodů,
mechanická robustnost;
 vysoká jakost obvodů, nízké ztráty, dobrý odvod
tepla, zpracování vysokých výkonů;
 možnost dostavení a doladění obvodu;
Nevýhody:  drahá kusová výroba, velké rozměry, váha, příkon,
spotřeba materiálu;
 konstrukční neslučitelnost s miniaturními aktivními
součástkami;
 omezené kmitočtové pásmo.
2
 Mikrovlnné páskové obvody – počátkem 50. let přechod
od koaxiálních struktur k plochým páskovým strukturám,
především k symetrickému páskovému vedení se vzduchovým dielektrikem.



Přechod od koaxiálního vedení
k symetrickému páskovému vedení
3
 Přechod k pevným nízkoztrátovým dielektrickým materiálům
s vysokou permitivitou počátkem 60. let - MIKROVLNNÉ
INTEGROVANÉ OBVODY (MIO, MIC).
 1960 –1980 prudký rozvoj hybridní mikrovlnné integrace
až po pásmo milimetrových vln.
 Od 70. let se paralelně s hybridní integrací rozvíjí technika
monolitických mikrovlnných integrovaných obvodů
(MMIO, MMIC).
 Od konce 80. let intenzivní přechod ke kombinovaným a
složeným MIO pro milimetrová vlnová pásma včetně
rozvoje příslušné polovodičové techniky.
4
Mikrovlnný integrovaný obvod

pracuje v mikrovlnném pásmu kmitočtů;
Nevýhody
MIO planární
větší měrný
útlum, obvodů
nižší činitel jakosti obvodů
Výhody MIO
uspořádání
 vyznačuje semalé
planární
strukturou
(převážně);
menší
elektrická
pevnost,
nižší přenášený
rozměry,
malá hmotnost
výkonspotřeba
 obvykle slučuje
činnost surovin
několika(kovů,
dílčích
obvodů dinízká
polovodičů,
horšíMIO
odvod
tepla, problematická
integrace
spojených uvnitř
bez přístupu
uživatele;
elektrik,
magnetik)
výkonových
prvků

menší
pracnost,
vyšší reprodukovatelnost vý má malou hmotnost a malé rozměry.
roby,
obtížnější
návrh
obvodů
CAD
sériovost,
nižší
výrobnínáklady
náročná
a precisní
technologie
 vyšší
spolehlivost
a stabilnost
parametrů obvodu
praktická
nemožnost
dodatečných korekcí
 větší
širokopásmovost
obvodů
obvodu, neopravitelnost
 kompatibilnost
montáže s polovodičovými prvky
 principiální omezení dosažitelné miniaturizace
a integrace obvodů
5
MIKROVLNNÉ INTEGROVANÉ OBVODY (MIO)
se soustředěnými parametry
l << g
„klasické“
L,C,R
s rozloženými parametry
l >> g
hybridní
(HMIO)
nesymetrické
mikropáskové
z krátkých
úseků vedení
L,C,R
monolitické
C,R
symetrické
mikropáskové
koplanární
štěrbinové
monolitické
(MMIO)
kombinované
pro mm vlny
planární vlnovody
objemové MIO
ploutvová vedení
6
Hybridní mikrovlnné integrované obvody
Pasivní mikrovlnné obvody se vytvářejí nanesením vodivých
pásků na pevnou dielektrickou podložku (tzv. substrát) ve
tvaru vytvářeného obvodu (tzv. vodivý motiv). Polovodičové
a další součástky jsou do obvodu vsazovány (zapouzdřené či
nezapouzdřené) jako diskrétní prvky (tzv. čipy), a to pájením
nebo ultrazvukovým svařováním. Hybridní technologie MIO
umožňuje vzájemně nezávislou optimalizaci použitých
aktivních součástek a pasivních mikropáskových obvodů.
Hybridní mikrovlnné integrované obvody a subsystémy (HMIO)
představují dnes nejrozšířenější a běžně využívanou formu
mikrovlnné integrace až do kmitočtů cca 26 GHz, příp. i výše.
7
Základní typy pasivních hybridních
mikrovlnných integrovaných struktur
(příčné průřezy)
 Symetrické mikropáskové vedení
stripline
 Nesymetrické mikropáskové vedení
(otevřené)
microstrip
 Stíněné nesymetrické mikropáskové vedení
shielded microstrip
8
 Obrácené (inverzní) nesymetrické
mikropáskové vedení
inverted microstrip
 Mikropáskové vedení se zavěšeným substrátem (s vysokým Q)
suspended microstrip
 Mikropáskové vedení s překryvnou
dielektrickou vrstvou
microstrip with overlay
9
 Koplanární vedení
coplanar strips (CPS)
symetrické
nesymetrické
symetrický
nesymetrický
 Koplanární vlnovod
coplanar waveguide
(CPW)
 Koplanární vlnovod
s horní stínicí deskou
10
 Koplanární vlnovod s pokoveným
substrátem
conductor-backed CPW
 Oboustranně stíněný koplanární
vlnovod
 Vícevrstvý koplanární vlnovod
multilayer CPW
11
 Štěrbinové vedení
slotline
koplanární vedení
 Vázaná mikropásková vedení
coupled microstrips
 Vázaná štěrbinová vedení
 Vázané koplanární vlnovody
12
Některé technologické otázky hybridních MIO
Základní požadavky na dielektrické substráty HMIO
 vysoká relativní permitivita r (konstantní v použitém rozsahu






kmitočtů a teplot);
co nejmenší činitel dielektrických ztrát tg δ (jeho kmitočtová
a teplotní stálost);
homogennost, izotropnost, vysoká tepelná vodivost;
rozměrová stabilnost (teplotní, vlhkostní, během výrobního
procesu, stárnutím);
schopnost povrchové metalizace, adheze vůči nanášeným
kovům;
konstantní tloušťka podložky, hladký povrch;
dobré fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti
(pevnost, křehkost, pružnost, opracovatelnost).
13
M a te r iá l
K o r u n d o v á k e r a m ik a
(A lu m in a ) A l2O 3
B e r y lio v á k e r a m ik a
(B e O )
T a ve n ý k ře m e n
S iO 2
εr
tg δ
p ři 1 0 G H z
p ři 1 0 G H z
9 ,6 ÷ 1 0 ,1
6 ÷ 6 ,6
2 ·1 0
1 ·1 0
C u p r e x tit
(2 G H z )
S e m iiz o la č n í k ř e m ík
3
S I-S i (ρ = 1 0 Ω c m )
S e m iiz o la č n í G a A s
7
S I-G a A s (ρ = 1 0 Ω c m )
S u ch ý vzd u ch
–4
–4
3 ,8
4 ·1 0
2 ,2 5
1 ·1 0
4 ,2
5 ·1 0
1 1 ,7
5 ·1 0
1 2 ,9
1 ,6 ·1 0
R T D u r o id ®
(p o ly te tr a flu o r e ty le n
PTFE)
–4
1
 0
–4
T e p e ln á
v o d iv o s t
[ W /c m /K ]
0 ,3
N e jč a s tě ji u ž ív a n ý m a te riá l
v p ro fe s io n á ln íc h z a říz e n íc h
2 ,5
T e p e ln á v o d iv o s t ja k o h lin ík ,
in te g ra c e v ý k o n o v ý c h p rv k ů ,
d ra h á v ý ro b a
0 ,0 1
P e rm itiv ita k o n s ta n tn í
v š iro k é m ro z s a h u k m ito č tů ;
p o u ž ití n a m m v ln á c h
0 ,2 6
D o b rá m e c h a n ic k á
o p ra c o v a te ln o s t
P o u ž ite ln ý p ro n e n á ro č n é
(p o k u s n é ) a p lik a c e n a d m
v ln á c h
–3
–3
–3
P oznám ka
0 ,9
M o n o litic k é m ik ro v ln n é
in te g ro v a n é o b v o d y
0 ,3
M o n o litic k é m ik ro v ln n é
in te g ro v a n é o b v o d y
0 ,0 0 0 2 4
14
Dva základní problémy řešení planárních struktur :
1. Značné rozptylové elektromagnetické pole kolem páskových
vodičů - nelze zanedbat.
2. Příčná nehomogennost většiny struktur  šíří se hybridní
elektromagnetická vlna HEM s disperzí - nelze řešit přesně
analyticky.
Přibližné (avšak dostatečně přesné) řešení: místo hybridní
vlny HEM se předpokládá, že se ve struktuře
šíří tzv. vlna kvazi-TEM
Relativně jednoduché matematické zpracování  názorné a dobře
interpretovatelné výsledky pro analýzu a syntézu  kmitočtové
omezení na „nižší“ GHz pásma (lze korigovat disperzními modely).
15
Nesymetrické mikropáskové
vedení (microstrip)
nejčastěji používaný typ
hybridní přenosové struktury
vodivý pásek
h
vodivá
zemnicí deska
dielektrická podložka
(substrát)
1. problém
Řeší se příčně homogenní
nesymetrické páskové vedení
s čistou vlnou TEM. Řeší se
Laplaceova rovnice Δ = 0
metodou konformního
zobrazení.
16
wef = wef (w, h)
podle použité
zobrazovací funkce
wef
w
konformní
transformace
Všechny parametry
nesymetrického
páskového vedení
se určují
jako
Efektivní
šířka nesymetrického
mikropáskového
vedení
s nulovou
parametry jeho konformně sdruženého obrazu bez rozptylového pole
tloušťkou se
horního
pásku
(t = 0)
a přepočítají
zpět do
původní
struktury.
w ef 
w ef  w 
2h
2 h
w 
 8h
ln 


4h 
 w
pro úzké mikropáskové vedení w /h  1

 w

 ln 17 , 08  
 0 ,85 


 2h
 
pro široké mikropáskové vedení w /h  1
17
2. problém
Hybridní elektromagnetickou vlnu HEM lze na relativně nízkých
mikrovlnných kmitočtech aproximovat tzv. vlnou kvazi-TEM. Mikropáskové vedení se pak řeší pro vlnu kvazi-TEM (viz 1. problém).
Příčná nehomogennost mikropáskového vedení na dielektrické
podložce se respektuje zavedením pojmu efektivní permitivita.
w
0
wef
0 ef
h
h
konformní
transformace
ef = ef (r , w, h)
podle použité
zobrazovací funkce
18
Efektivní permitivita nesymetrického mikropáskového vedení (její
relativní hodnota)
ε ef
r

εr  1
2

0 ,9


εr  1
8h
ln
w
pro úzké
mikropáskové vedení
w /h  1
ε ef
r
 εr 
εr  1
2


ln 6 , 28

w
h

2
 w


 0 ,85 
 2h
 

 ln 17 , 08


 w


 0 ,85 
 2h
 
pro široké mikropáskové vedení w /h  1
Relativní hodnota efektivní permitivity nesymetrického mikropáskového vedení může nabývat pouze hodnot
εr  1
2
w /h  0
 ε ef
r
 εr
w /h  
19
Fázová a skupinová rychlost vlny kvazi-TEM na nesymetrickém
mikropáskovém vedení a její délka vlny závisejí na rozměrech w a
h vedení, neboť
v f  v sk 
1
c

 ef  
 ef
g 
r
vf
f
Charakteristická impedance (vlnová impedance) nesymetrického
mikropáskového vedení
Z0 
120 
ε ef
r

h
w ef
Pásmo jednovidovosti vidu kvazi-TEM je rozsah kmitočtů, kdy se
v mikropáskovém vedení ještě nevybudí nejnižší vlnovodový vid
TE10
T E 10
f  fm

Z0
2 μ0 h
20
Na vyšších kmitočtech (cca od 6 ÷ 8 GHz) se začíná uplatňovat
disperze základní elektromagnetické vlny v nesymetrickém mikropáskovém vedení, tj. délka vlny, konstanta šíření, charakteristická
impedance vedení a další parametry začínají záviset na kmitočtu.
Pro respektování disperze vlny HEM na vyšších kmitočtech se
zavádějí tzv. disperzní modely, jakožto kmitočtové korekce
aproximace kvazi-TEM. Zavádí se:
 kmitočtově závislá (korigovaná) efektivní permitivita ef ( f )
 kmitočtově závislá (korigovaná) efektivní šířka vedení wef ( f )
Platnost  základní aproximace kvazi-TEM do 3 až 6 GHz (dle
typu mikropáskové struktury)
 kmitočtově korigovaná aproximace kvazi-TEM do 18
až 20 GHz u hybridních přenosových struktur, do 60
až 80 GHz u některých speciálních miniaturních
monolitických struktur
21
Štěrbinové vedení
(slotline)
vzduch
štěrbina
vzduch
kovová deska
dielektrický
substrát
Výhody:  snadné paralelní připojování součástek;
Nevýhody:
 obtížné sériové připojování součástek;
 možnost
dosažení
vysokých
Z0 (ažkvazi-TEM;
300 Ω);
velká disperze,
nelze
použíthodnot
aproximaci
 výhodné
vlastnosti v kombinaci s mikropáskovým
větší rozměry stínicích krytů
vedením: nejčastější použití
22
Mikropásková vázaná vedení
(coupled microstrips)
Jde o systém N = 3 páskových vodičů, v němž se mohou současně
šířit N – 1 = 2 dominantní vidy HEM,
které na nižších kmitočtech aproximujeme dvěma vidy kvazi-TEM:
sudý (even) vid,
lichý (odd) vid.
Tyto vidy odpovídají soufázovému a protifázovému buzení obou
mikropásků vázaných vedení.
H
H
E
E
sudý vid
lichý vid
23
Kvalitativní porovnání různých typů
hybridních mikropáskových přenosových struktur
N e s y m e tric ký
m ik ro p á se k
M ik ro p á s ek se
za v ěš e n ý m
s u b s trá te m
15 ÷ 120
25 ÷ 180
50 ÷ 300
25 ÷ 155
45 ÷ 280
V yu žiteln é pásm o
km ito čtů [G H z]
0 ÷ 60
0 ÷ 90
3 ÷ 60
0 ÷ 60
0 ÷ 60
E fektivn í p erm itivita
(ε r = 10)
6÷ 9
1,5 ÷ 8
2÷ 4
4 ÷ 5,5
4 ÷ 5,5
D isp erze
m alá
velm i m alá
velká
střed n í
střed n í
200 ÷ 400
500 ÷ 1500
100
100 ÷ 200
100 ÷ 200
m alé
m alé
střed n í
střed n í
střed n í
M o n táž sou částek:
– p araleln ě
o b tížn á
střed n ě o b tížn á
sn ad n á
sn ad n á
sn ad n á
– sério vě
sn ad n á
sn ad n á
o b tížn á
sn ad n á
sn ad n á
m alé
m alé
velké
velké
velké
sn ad n á
sn ad n á
P a ra m e tr v e de n í
C h arakteristická
im p ed an ce [Ω ]
V lastn í čin itel jako sti
(řád o vě)
V yzařo ván í
R o zm ěry stín icích krytů
R ealizace vázaných
ved en í
Š tě rb in o v é K o p la n á rn í K o p la n á rn í
vedení
v ln o v o d
vedení
m o žn á, a však vzn ikají n ežádo u cí vid y
šířen í vln
24
Srovnání vlastností základních typů mikrovlnných struktur
při kmitočtu kolem 10 GHz
Typ
p ře n o s o v é s tru k tu ry
Ú tlu m
Č in ite l ja k o s ti
[ d B /m ]
K ovový vlnovod
(řá d o v ě )
S tu p e ň
m in ia tu r iz a c e
Vhodná
s é r io v o s t
0,1
10 000
–
m alá
K oaxiální vedení
1
2 000
střední
m enší
H ybridní M IO
10
400
velký
velká
M onolitické M IO
60 ÷ 80
100
největší
velká
25
MIO se soustředěnými parametry
Podmínkou „soustředěnosti“ parametrů je dosažení velmi
malých rozměrů prvku (obvodu) l << g (aspoň o jeden řád).
Při užití fotolitografických postupů lze tyto prvky použít až do
kmitočtů kolem 60 GHz.
stupeň
miniaturizace
a integrace
Výhody:
Nevýhody: vysoký
náročná
(miniaturní)
technologie
 malá
váha,ztráty
nízká vspotřeba
značné
obvodumateriálů
vlivem parazitních vlastností,
nízké Q
 dobrá
reprodukovatelnost,
vysoká sériovost výroby
nízká cena
 omezení
pracovního pásma kmitočtů shora (dosažitelnost konstrukce
malých rozměrů,
hodnota Q,
 jednoduchost
 klesající
vysoká spolehlivost
změna velká
charakteru
prvku)
 poměrně
širokopásmovost
(elektrické vlastnosti se neopakují s kmitočtem)
26
Induktory v „klasické“ podobě
(L jednotky až stovky nH, Q  100)
oblouk
(kruhová smyčka)
kruhová spirála
meandrové vedení
kvadratická spirála
vedení „S“
27
Soustředěnost parametrů jen do určitého kmitočtu
Kvadratický spirálový
induktor 1,9 nH
Plocha spirály 0,4 x 0,4 mm
Šířka pásků w = 10 µm
L
Mezera mezi pásky s = 10µm
n = 10 závitů

Nad 10 GHz se chová jako
kapacitor
28
Induktory z velmi krátkých úseků mikropáskového vedení
sériový planární induktor
paralelní
možné provedení zkratu
„přes“ hranu substrátu
29
Kapacitory v „klasické“ podobě
(C setiny až stovky pF, Q několik stovek)
mezera v mikropásku
interdigitální
kapacitor
dostavovací plošky
základní
kapacita
třívrstvý (sendvičový)
kapacitor
propojka
30
Kapacitor se soustředěnou kapacitou
z velmi krátkého úseku mikropáskového vedení
Z0C << Z0 , l < λg / 8
31
Rezistory se soustředěným odporem
z velmi krátkého úseku ztrátového vedení (NiCr, Ta2N) s plošným
odporem 9,5 až 135 / a tloušťkou 0,05 až 0,2 µm.
NiCr
širokopásmové
odporové zakončení
kontakty
Odporové články T a Π v mikropáskovém
vedení
odporov
průběžné sériové rezistory
ý
materiál
odporový vkládaný prvek - čip
32
Monolitické mikrovlnné integrované obvody
MMIO
Pasivní a aktivní obvodové prvky, jejich spojení a mikropásková vedení jsou vytvořena na povrchu nebo v objemu
polovodičového substrátu, který tu plní dvě funkce:
 nosná „dielektrická“ podložka pro přenosová vedení, obvodové elementy s rozloženými parametry a hybridní prvky se
soustředěnými parametry;
 blok polovodiče pro vytváření a monolitickou integraci aktivních a pasivních polovodičových součástek.
Monolitické integrované obvody představují nejvyšší stupeň
současné mikrovlnné integrace. Jsou již poměrně běžně využívány,
jejich vývoj však dosud není plně ukončen a stále pokračuje.
33
Materiály pro MMIO
M a te r iá l
K ře m ík
Si
εr
ρ
μe
[ Ω ·c m ]
2
1 1 ,7
–
S e m iiz o la č n í k ře m ík
SI Si
1 1 ,7
10 ÷ 10
A rz e n id g a lia
G aAs
1 2 ,9
–
S e m iiz o la č n í a rz e n id
g a lia
SI G aAs
1 2 ,9
10 ÷ 10
F o s fid in d ia
In P
S a fír
K o ru n d
3
7
1 1 ,6
> 10
9 ,7 ÷ 1 0 ,1 1 0
11
5
9
1 500
1 ,0
–
–
8 500
2 ,0
–
–
Poznám ka
14
14
P ro n iž š í m ik ro v ln n á p á s m a a
v ýk o n o v é a p lik a c e
V s o u č a s n o s ti
n e jr o z š íř e n ě jš í
m a t e r iá l
1 ,6
P e rs p e k tiv n í
m a te riá l p ro p á s m a
m m v ln
250
1 ,0
P ro te c h n o lo g ii
S O S (S ilic iu m O n
S a p p h ire )
–
–
H yb rid n í M IO
4 600
÷ 10
7
[ c m / V s ] [ 1 0 ·c m / s ]
–
1 2 ,4
v sat
34
Výhody GaAs
 Asi 6x větší pohyblivost elektronů než u Si a téměř 2x vyšší
maximální driftová rychlost
 kratší průletová doba polovodičem
 možnost pracovat na vyšších kmitočtech
 na stejném kmitočtu může mít prvek z GaAs větší rozměry,
tj. může zpracovávat větší výkony
 geometricky stejné prvky z GaAs a Si mají poměr mezních
kmitočtů 4 : 1
 nižší hodnota sériového odporu, lepší šumové vlastnosti
aktivních prvků z GaAs
 Stabilnost parametrů GaAs a SIGaAs v procesu technologického zpracování
35
 Intrinsický (čistý) nebo dotací vhodnými prvky (Cr) lze
připravit SIGaAs s měrným odporem o čtyři až šest řádů
větším než u SISi, srovnatelným s odporem jakostních
dielektrik (korundová keramika)
 výborné izolační vlastnosti, malý útlum vedení, nízké ztráty v
monolitických mikrovlnných integrovaných obvodech
 Větší šířka zakázaného pásma GaAs (1,9 eV) než Si (1,1 eV)
 vyšší provozní teploty, zpracování větších výkonů
 společná integrace s optoelektronickými prvky (polovodičové
lasery, LED), optoelektronické integrované obvody (OEIO)
 Možnost vytváření velmi tenkých heterostruktur o tloušťce
několika atomů (AlGaAs, GaInAs, GaInPAs apod.)
 vytváření nových součástek (HEMT, HBT apod.)
36
Nevýhody a problémy GaAs




Drahý výchozí materiál (galium).
Velmi drahá a složitá technologie. Nelze užít technologii Si.
Obtížné vytváření kvalitního kysličníku na povrchu GaAs.
Asi 3x menší tepelná vodivost GaAs (0,46 W/cmK) než u Si
(1,41 W/cmK)
 špatný odvod tepla
 potíže s integrací výkonových prvků
37
Některé otázky a problémy MMIO
Nové technologické postupy
 Vytváření semiizolačního polovodičového materiálu (intrinsický




polovodič, dotace Cr nebo Cu, metoda protonového bombardování).
Nové speciální postupy při vytváření MMIO (air-bridges, viaholes, lift-off atd.).
Nové technologie (iontová implantace, molekulární epitaxie,
fotolitografie, elektronová litografie).
Tvorba velmi tenkých heterostruktur (setiny mikrometru).
Mnoho technologických kroků (asi 25 pro jeden tranzistor
MESFET, dalších 35 pro vytvoření jednoho čipu MMIO)
38
Nové návrhové postupy topologie MMIO
 Výhradně počítačový návrh (vysoká přesnost návrhu, nemož


nost dodatečných korekcí, optimalizace).
Lepší využití plochy čipu (kombinace obvodů s rozloženými a
se soustředěnými parametry).
Zabránění nežádoucím vazbám mezi obvody.
Nové principy vytváření obvodů (např. R a C se vytvářejí
pomocí tranzistorů MESFET).
39
Nízký stupeň zaplnění plochy čipu monolitických MIO
pro zabránění vzniku nežádoucích vazeb
mezi jednotlivými částmi obvodu
40
Precizní technologie monolitických MIO
10 µm
Mikrometrické rozlišení prstů
interdigitálního kapacitoru
4 µm
Vzduchový můstek (air-bridge)
jako vývod středu kvadratického
induktoru
41
Typická sestava a obvodové prvky MMIO
Obvod je zhotoven na SI GaAs (0,178 mm) s oddělovací vrstvou (0,5 µm) a
epitaxiální aktivní vrstvou GaAs (0,25 µm). Prvky v této vrstvě jsou
vzájemně izolovány protonovým bombardováním.
42
Buzení a pouzdra mikrovlnných
integrovaných obvodů
mikropásek
teflon
koaxiální konektor
držák MIO
Axiální přechod
koaxiál-mikropásek
horní pásek
zemnicí deska
Kolmý přechod
koaxiál-mikropásek
43
dielektrický
šroub
přítlačný
jazýček
mikropásek
stupňovitý hřeben vlnovodu Π
Axiální přechod vlnovod – mikropásek
Přechod
koaxiál – štěrbinové vedení
Přechod
mikropáskové – štěrbinové vedení
44
Sestava typického uspořádání mikrovlnného integrovaného
subsystému s monolitickými a hybridními obvody
keramický
modul
s monolitickými čipy
a jeho vsazení do „vnějších“ hybridních a napájecích obvodů
45
Modulové
uspořádání
integrovaného
systému
Typické
provedení
vnějších
pouzder
mikrovlnných
integrovaných
obvodů
46
Kombinované a zvláštní MIO
pro pásma mm vln
Vícevrstvé (objemové) MIO
Jednotlivé planární obvody se do celkové sestavy ukládají ve
vrstvách a jsou vzájemně spojovány nejen horizontálně, ale i
vertikálně. Dosáhne se lepšího využití plochy a objemu MIO,
využijí se obě strany hybridních MIO. Vzniká 3D mikrovlnný
integrovaný obvod.
Při použití N vrstev se dosáhne přibližně N-krát vyšší prostorové
hustoty integrace než u jednovrstvého obvodu. Na mm vlnách jsou
přitom jednotlivé vrstvy velmi tenké (desítky až stovky µm), takže i
výška celého 3D obvodu (subsystému) zůstává velmi malá.
47
Mikrovlnný přijímač 20 GHz v provedení 3D monolitického MIO
Obvod je vytvořen na substrátu GaAs a čtyř vrstev polyimidu
tloušťky 2,5 µm. Čip o ploše 1,78 x 1,78 mm obsahuje třístupňový
zesilovač s tranzistory MESFET, napěťově řízený oscilátor s
dvojstupňovým tranzistorovým zesilovačem, vyvážený směšovač,
90° hybridní člen a dělič výkonu.
48
V posledních letech byly experimentálně vyvinuty nové typy tzv.
obvodů VIP (Verticall Instaled Planar), které i v konstrukci
jednotlivých dílčích obvodů využívají prostorového uspořádání.
Tím se dosahuje větší flexibilnosti návrhu celého obvodu a větší
variabilnosti jeho parametrů.
vázaná
vedení
druhý
dielektrický
substrát
první
dielektrický
substrát
VIP na principu vázaných
vedení
rezonátory /2
rezonátory /4
uzemnění
„via hole“
Mikropásková propust VIP
49
Ploutvové vedení (fin line)
Odstraňuje nedostatky miunilaterální (jednostranné)
kropáskových a štěrbinobilaterální (dvojstranné)
vých vedení v pásmech
antipodální (protistranné)
mm vln. Ploutvové vedení lze chápat jako stíněné
štěrbinové vedení (symetrické či nesymetrické) na
substrátu umístěném v rovině E kovového vlnovodu obdélníkového průřezu. Vzniká tak
vlastně vlnovod s průřezem ve tvaru písmene H. Přítomnost
dielektrického substrátu a kovových „ploutví“ způsobuje značné
snížení mezního kmitočtu dominantního vidu vlnovodu, čímž se
výrazně rozšíří jeho pracovní kmitočtové pásmo. Dalšími výhodami
ploutvového vedení jsou:
50
 široký rozsah dosažitelných hodnot charakteristické impedance



(10 - 400 Ω)
široký rozsah pracovních kmitočtů (30 - 100 GHz)
nízký útlum, prakticky nulové vyzařování a nízká disperze v
pásmech mm vln
snadné paralelní i sériové připojování diskrétních součástek
Ploutvová vedení dala podnět pro vznik nové třídy MIO pro pásma
mm vln zvaných integrované obvody v rovině E (E Plane
Integrated Circuits). Tyto obvody pracují na kmitočtech kolem
100 GHz a využívají ploutvových vedení a vkládaných diskrétních
elementů. Na mm vlnových délkách jsou i rozměry výchozího
vlnovodu již velmi malé (jednotky mm), takže vzniká skutečně
miniaturní integrovaný obvod.
51
Kombinací miniaturních kovových vlnovodů pro mm vlnová pásma
s ploutvovými vedeními a s dalšími typy hybridních i monolitických
integrovaných obvodů se vyvinula kvalitativně nová skupina
integrovaných obvodů tzv. planární vlnovody. Tyto obvody (či
spíše obvodové systémy) se vyznačují - i přes miniaturní rozměry
svých částí - mechanickou robustností, neboť „z vnějšku“ jsou
tvořeny kovovými dutými vlnovody.
52